Towards accelerating smoothed particle hydrodynamics simulations for free-surface flows on multi-GPU clusters

Starting from the single graphics processing unit (GPU) version of the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) code DualSPHysics, a multi-GPU SPH program is developed for free-surface flows. The approach is based on a spatial decomposition technique, whereby different portions (sub-domains) of the physical system under study are assigned to different GPUs. Communication between devices is achieved with the use of Message Passing Interface (MPI) application programming interface (API) routines. The use of the sorting algorithm radix sort for inter-GPU particle migration and sub-domain “halo” building (which enables interaction between SPH particles of different sub-domains) is described in detail. With the resulting scheme it is possible, on the one hand, to carry out simulations that could also be performed on a single GPU, but they can now be performed even faster than on one of these devices alone. On the other hand, accelerated simulations can be performed with up to 32 million particles on the current architecture, which is beyond the limitations of a single GPU due to memory constraints. A study of weak and strong scaling behaviour, speedups and efficiency of the resulting program is presented including an investigation to elucidate the computational bottlenecks. Last, possibilities for reduction of the effects of overhead on computational efficiency in future versions of our scheme are discussed.  

弱可压缩流体边界处理算法

针对流体与固体边界的交互模拟问题,提出一种基于弱可压缩光滑粒子流体动力学(SPH)的边界处理算法.首先,引入一种新的体积权重函数,解决固体边界非均匀采样区域流体密度的计算误差问题;然后,提出一种新的边界力计算模型,避免校正流体粒子位置信息,保证固体边界不可穿透;最后,提出一种改进的流体压力计算模型,保证流体的弱可压缩性.实验结果表明,所提算法可以有效地解决基于位置校正的边界处理方法在模拟弱可压缩流体与非均匀采样固体边界交互时存在的稳定性问题,且仅需边界粒子的位置信息,在节约内存的同时避免了位置校正所带来的额外计算开销.  

基于状态空间预计算的软组织实时形变模型

为提高混合软组织实时形变模型(HSTDM)的计算效率，提出一种基于状态空间预计算的混合软组织实时形变模型。利用HSTDM模型，通过离线预计算方式得到离散形变状态空间的精确数据，在实时交互时采用光滑粒子流插值函数计算力反馈和形变节点的偏移值。仿真结果表明，该模型能够描述软组织线性、非线性和各向异性材料特性，并在视觉和触觉上分别达到60 Hz和500 Hz以上的刷新率。  

一种基于SPH方法的人员疏散混合模型及模拟

为减少室内火灾环境下人员伤亡，研究了人员疏散计算机模拟问题.将人员运动视为一种流体运动，利用流体力学原理，构建一种新的人员疏散混合模型，并在其中引入了一种从众模式.同时，采用光滑粒子流体动力学方法对模型离散化，从而减少了计算量.不同工况下进行的疏散模拟实验表明，所提出的模型及算法能够较准确地模拟出实际疏散的现象.  

基于SPH方法的流体粒子与软体碰撞检测

针对虚拟手术系统中流血粒子与软组织器官碰撞检测的问题进行了研究.虚拟手术中流血与软体器官组织进行碰撞检测不同于传统的刚体或者软体之间的碰撞检测，流血模型的拓扑结构变化较大，传统方法通过更新拓扑结构来进行碰撞检测的方法不能够保证碰撞检测的实时性和准确性.提出一种基于空间划分的流血粒子与软体碰撞检测算法，能够处理基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）模拟的流体与任意动力学模型模拟的软体之间的碰撞检测.同时，提出了对SPH算法进行最近相邻粒子搜索过程中建立起的均匀空间网格进行重复利用，使空间网格用于碰撞检测的空间划分与流体粒子的定位，从而减少了时间和空间资源的重复消耗.实验结果表明，该算法能够满足虚拟手术中流血粒子与软体之间的碰撞检测对精确性和实时性的要求.  

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟，采用弱可压SPH方法对水体进行建模，提出了流体计算的CPU GPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题，采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分，利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后，采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取，利用环境贴图表现流体的反射和折射效果，实现流体表面着色。实验结果表明，所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染，绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果，当粒子数达到1 048 576个时，GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。